فصل اول
اساسات فزیک
مجموعه دانش بشری به دو بخش علوم انسانی و علوم
تجربی (ساینس) تقسیم می شود. یکی از مهمترین علوم تجربی علم فزیک است. فزیک علم
مطالعه مجموعه قوانین طبیعت است که در برگیرنده تمام پدیده های فزیکی در جهان می
باشد. این قوانین می توانند به کمک معادله های ریاضی افاده شوند. علم فزیک در تلاش
است که تصویری منسجم از جهان هستی در قالب چند اصل و قانون اساسی ارائه کند.
طبیعت: مجموعه اشیاء مادی در جهان که حول و حوش ما را احاطه می نماید را طبیعت
مینامند.
زمین: زمین بعد از عطارد و زهره سومین سیاره نظام شمسی است که به دور آفتاب می چرخد.
زمین محل زندگی انسانها، نباتات، و سایر موجودات زنده است.
تئوری علمی: مجموعه ای از مودل ها که برای شرح یک واقعیت خارجی و پیش بینی در تجربه به کار
می رود را گویند. فزیکدان هایی را که با تجزیه و تحلیل نتایج تجربی سر و کار دارند
و در پی ارائه ای برای شرح آن واقعیات است را فزیکدان نظری یا تئوریسین میگویند.
روش علمی: دانشمندان برای ارائه تئوری علمی بطور سیستماتیک گام هایی را بر می دارند.
برای حل مسأله بصورت علمی، از مطالعات و جمع آوری مواد آغاز می کنند. این عمل
اجازه می دهد تا فرضیه مناسب غرض توضیح مطالب انتخاب و بعداً این فرضیه توسط تجربه
امتحان شود. دانشمندان با نتیجه گیری و عمومی ساختن آن به پیش بینی و ارائه قاعده
و یا قانون می پردازند. میتود علمی دارای هفت مرحله است که در زیر نشان داده شده
است.
|
مطالعه در مورد مسأله
و یا موضوع
|
|
پیشنهاد فرضیه در
زمینه
|
|
آزمایش کردن فرضیه
بصورت تجربی
|
|
تحلیل ارقام
|
|
عمومی ساختن تئوری در چوکات قوانین کشف شده
|
|
پیش بینی
|
|
کنترول
|
اصطلاحات اولیه فزیکی
فزیک: علم فزیک ذخیره علمی مفاهیم و ارائه آن به وسیله معادلات ریاضی و تطبیق علمی
آن در ابعاد فلسفی است. فزیک از تغییرات ظاهری مواد طبیعت و روابط بین آنها بحث
میکند.
فزیک از ترکیب ماده و خصوصیت آن، حرکت ماده،
انرژی و همچنان از ذرات بنیادی کوچک (جهان مایکروسکوپیک) تا اجسام بزرگ و کهکشان
ها (جهان ماکروسکوپیک) بحث می نماید.
تقسیم بندی فزیک: فزیک بر حسب نظری به پنج بخش تقسیم می گردد:
1-
میخانیک: از تئوری میخانیکی اجسام در مورد حرکت بحث می کند.
2-
ترمودینامیک: با مفاهیم حرارت و درجه حرارت سر و کار دارد.
3-
الکترومقناطیس: برق، مقناطیس و تشعشع الکترومقناطیسی را مطالعه می کند.
4-
میخانیک کوانتومی: خصوصیات جهان مایکروسکوپیک را توضیح می نماید.
5-
نسبیت: از سرعت های خیلی بزرگ اجسام بحث می کند.
از پنج بخش فزیک که در فوق نام برده شد قسمتهای
میخانیک، ترمودینامیک و الکترومقناطیس را به نام فزیک کلاسیک و کوانتوم و نسبیت را
به نام فزیک مدرن یاد می کنند.
تعاریف و اصطلاحات اولیه
زمان: نشانه تغییرات و تحولات ماده است. یعنی خواص ماده تنها با درنظرداشت زمان می
توانند تغییر کنند و یا جابجا شوند. تولید، استمرار و نابودی پدیده ها در محدوده
زمان صورت می گیرد.
مکان: جایی را که اجسام در فضا اشغال می کنند را مکان گویند. مکان دارای سه بُعد طول،
عرض، و ارتفاع می باشد. فضای ما، فضایی سه بُعدی است.
ماده: هر شی و یا جسمی که در زمانی معین، مکانی را در فضا اشغال کنند را ماده می
نامیم. وجود ماده در زمان و مکان به صورت توأم تجسم می یابد.
شی و جسم: شی چیزیست که اجسام فزیکی از آن ساخته شده است. مثلاً قاشق آهنی را در نظر
میگیریم: در این صورت آهن شی و قاشق جسم است.
کمیت: هر چیز قابل اندازه گیری را کمیت می گویند. مانند طول و حجم.
خواص اجسام
کتله: مقدار ماده ای را که جسم از آن ساخته شده است را کتله میگویند. کتله یک جسم
نظر به موقعیت ثابت است و تغییر نمی کند. مثلاً کتله یک میز در سطح بحر و در قله
یک کوه برابر است.
وزن: کشش جاذبه زمین بالای
اجسام را وزن می گویند. وزن جسم نظر به موقعیت تغییر می کند. مثلاً وزن یک میز در
سطح بحر بیشتر از موقعی است که بالای یک کوه قرار داشته باشد.
حجم: مقدار جایی را که جسم در
فضا اشغال می کند را گویند. بعنوان مثال میز جایی بیشتر از کتاب در فضا می گیرد،
بنابراین می گوییم حجم میز بیشتر از حجم کتاب است.
تخلخل: خاصیت وجود خلا بین ذرات یک جسم را تخلخل می گویند. مثلاً تخلخل چوب بیشتر از
سنگ است.
تراکم: قابلیت کم شدن حجم جسم بر اثر فشار خارجی را قابلیت تراکم پذیری جسم می گویند.
چوب نسبت به سنگ تراکم کمتری دارد.
ارتجاعیت: خاصیت برگشت یک جسم به حالت اولی، وقتی که اثر قوه خارجی بر جسم از بین می رود
را قابلیت ارتجاع پذیری جسم می گویند. رابر از اجسامی است که خاصیت ارتجاعی دارند.
ذرات اجسام
عنصر: موادی که ذرات تشکیل دهنده آن دارای عین خواص فزیکی و کیمیاوی باشد. مانند
طلا.
مرکب: موادی اند که از ترکیب تعداد مشخصی عنصر بوجود می آیند. مانند آب که از عناصر
هایدروجن و اکسیجن بوجود می آید. نسبت هایدروجن به اکسیجن همیشه در آب ثابت و
برابر 2 است.
اتوم: کوچکترین ذره یک عنصر است که خاصیت همان عنصر را داشته باشد. در طبیعت 92 عنصر
طبیعی و 26 عنصر مصنوعی (ساخته بشر) وجود دارد.
مالیکول: کوچکترین ذره یک مرکب است که خاصیت همان مرکب را داشته باشد. مانند آب.
حالات ماده
جامدات- اجسامی اند که دارای حجم معین و شکل مشخص باشند. مانند چوب و سنگ.
مایعات- اجسامی اند که دارای حجم معین بوده ولی شکل مشخصی ندارند و نظر به ظرف احتوا
کننده آنها تغییر شکل می دهند. مانند آب.
گازات- اجسامی اند که نه حجم معین دارند و نه شکل مشخص. مانند هایدروجن و اکسیجن.
هر جسم در حالت عادی یکی از اشکال سه گانه فوق
را به خود می گیرد. در اثر تغییر درجه حرارت اجسام می توانند حالت خود را تغییر
دهند. مثلاً آب در درجه حرارت 100 درجه سانتی گرید به بخار (گاز) و در 0 درجه
سانتی گرید به یخ (جامد) تغییر حالت می دهد.
اندازه گیری
اندازه گیری مقایسه بزرگی یک کمیت با واحد همان
کمیت است، تا معلوم شود که بزرگی آن چند برابر واحد است. برای اندازه گیری سه شرط
زیر ضروری است:
1-
مشخص کردن نوع کمیت
2-
انتخاب واحد متناسب با کمیت مورد اندازه گیری
3-
مقایسه واحد انتخاب شده با کمیت مورد اندازه گیری
تقسیم بندی کمیت ها
کمیت ها از نگاه نحوه تعریف به دو نوع کمیت های اساسی
و فرعی تقسیم بندی می شوند. کمیت های اساسی در تعریف خود مستقل بوده ولی
کمیت های فرعی برای تعریف خود از کمیت های اساسی استفاده می کنند. واحدات فرعی از
ترکیب واحدات اصلی بوجود می آیند. مثلاً طول یک کمیت اساسی ولی سطح یک کمیت فرعی
است.
کمیت ها از نگاه جهت داشتن و یا نداشتن به دو
نوع کمیت های سکالری و وکتوری تقسیم می گردند. کمیت های سکالری به
جهت نیاز ندارد و تنها یک عدد و واحد برای مشخص نمودن آنها کافی است ولی کمیت های
وکتوری علاوه بر مقدار و واحد به جهت نیز نیاز دارند. مثلاً فاصله یک کمیت سکالری
و تغییر مکان یک کمیت وکتوری است.
سیستم بین المللی (SI): اداره بین المللی اوزان و مقادیر در سال 1875 در شهر سِورس در نزدیکی پاریس در
فرانسه تأسیس گردید. در چهاردمین گردهمایی دانشمندان این اداره در سال 1971، هفت
کمیت را به عنوان کمیت های اصلی معرفی کردند. این هفت کمیت اساس سیستم متریک (به
سیستم SI
سیستم متریک نیز گفته می شود) را تشکیل می دهند.
واحدات اصلی SI
|
||
کمیت
|
نام واحد
|
سمبول
|
طول
|
متر
|
m
|
کتله
|
کیلوگرام
|
kg
|
زمان
|
ثانیه
|
s
|
شدت جریان برق
|
امپیر
|
A
|
درجه حرارت
|
کالوین
|
K
|
مقدار ماده
|
مول
|
mol
|
شدت روشنایی
|
شمع
|
cd
|
پیشوندهای واحدات بین المللی: چون برخی از اندازه گیری ها بسیار بزرگ –مانند فاصله بین کهکشانها- و یا بسیار
کوچک –مانند قطر اتوم- می باشند، برای سهولت در محاسبه از پیشوندهای پیشنهادی زیر
استفاده می کنند که در چهاردهمین مجمع عمومی اوزان و مقادیر ارائه گردید.
پیشوندها
|
|||||
اضعاف
|
اجزا
|
||||
عامل
|
پیشوند
|
سمبول
|
عامل
|
پیشوند
|
سمبول
|
دیکا deca
|
da
|
دسی deci
|
d
|
||
هکتو hecto
|
h
|
سانتی centi
|
c
|
||
کیلو kilo
|
k
|
میلی milli
|
m
|
||
میگا Mega
|
M
|
مایکرو micro
|
|||
گیگا Giga
|
G
|
نانو nano
|
n
|
||
تیرا Tera
|
T
|
پیکو pico
|
p
|
||
پیتا Peta
|
P
|
فیمتو femto
|
f
|
||
اگزا Exa
|
E
|
آتو atto
|
a
|
||
زتا Zetta
|
Z
|
زپتو zepto
|
z
|
||
یوتا Yotta
|
Y
|
یوکتو yocto
|
y
|
||
سیستم های مهم اندازه گیری مشتق شده از سیستم
متریک سیستم های زیر می باشد:
1- سیستم c.g.s: در این سیستم طول به سانتی متر، کتله به گرام و زمان به ثانیه اندازه گیری میشود.
2- سیستم m.k.s: در این سیستم طول به متر، کتله به کیلوگرام و زمان به ثانیه اندازه گیری
میشود.
3- سیستم m.t.s: در این سیستم طول به متر، کتله به تُن و زمان به ثانیه اندازه می گردد.
واحد طول: عبارت از متر است. متر عبارت از طول
حصه طول نصف النهار کره زمین است. برای دقت
بیشتر متر بر اساس طول موج خاصی از طیف اتوم کرپتون 86 استفاده گردید. در این صورت
یک متر مساوی به 1650763.73 برابر طول موج
میباشد.
بعدها متر به صورت دقیقتر، به گونه ای که
جوابگوی نیازهای علمی امروز باشد، تعریف گردید. تعریف زیر آخرین تعریف برای طول یک
متر است:
یک متر عبارت از مسافه ای است که نور آن را در
زمان
ثانیه در خلاء طی می کند.
